八数码问题

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八数码问题

2023-08-13 10:14| 来源: 网络整理| 查看: 265

文章目录 A*算法1 前言2 简介2.1 启发式函数 f(n) = g(n) + h(n)2.2 open表与close表的维护2.3 实例演示 3 八数码问题4 问题分析5 代码实现

A*算法 1 前言

\qquad 八数码问题可以说得上是搜索问题中比较经典的,可以有很多种搜索策略,比如说有最常见的BFS,DFS,此外,A也是一个比较普遍的搜索算法。在八数码问题A往往可以得到最优的求解路径。(再也不用担心不会拼图了,哈哈哈

2 简介

\qquad 可能还有很多没有对A很深的理解,以下是自己的一些小看法。 \qquad A算法作为启发式搜索的一种,第一个必不可少是启发式函数;同时作为A*算法的比较显著的一个特点就是对open表和close表的维护.

2.1 启发式函数 f(n) = g(n) + h(n)

\qquad 启发式函数听起来很有学问,其实可以很简单的理解为从源点到目标的所需要消耗的总代价f(n)(和适应度函数比较相像),这个总代价可以分成两个部分从源点到中间节点(搜索的中间状态)已经消耗的实际代价g(n),另一个部分就是对从中间节点到目标的预测h(n)。 \qquad 通常来说,这里的代价一般是指各种距离,像欧式距离,曼哈顿距离等等,这个根据你所求解的实际问题决定。 \qquad 另一个值得指出的就是预测,预测值直接影响了问题求解的效率以及能否求得合理的解。这里给出一个结论:对于任意预测值h(n)均小于等于实际值的话,我们可以说最终解就是问题的最优解。

2.2 open表与close表的维护

open表:先可以简单认为是一个未搜索节点的表 close表:先可以简单认为是一个已完成搜索的节点的表(即已经将下一个状态放入open表内) \qquad 为什么说是简单认为呢?理由很简单,因为open表与close表中的元素在一定规则下可以相互转化,最终实现搜到解。 \qquad 规则一:对于新添加的节点S(open表和close表中均没有这个状态),S直接添加到open表中 \qquad 规则二:对于已经添加的节点S(open表或者close表中已经有这个状态),若在open表中,与原来的状态 S 0 S_{0} S0​的f(n)比较,取最小的一个。若在close表中,那就分成两种情况,第一种,close表中的该状态 S 0 S_{0} S0​的f(n)大于S的,不做修改;第二种 S 0 S_{0} S0​的f(n)小于S的,那就要需要将close表中 S 0 S_{0} S0​的f(n)更新,同时将该状态移入到open表中。 \qquad 规则三:下一个搜索节点的选择问题,选取open表中f(n)的值最小的状态作为下一个待搜索节点 \qquad 规则四:每次需要将带搜索的节点下一个所有的状态按照规则一二更新open表,close表,搜索完该节点后,移到close表中。

2.3 实例演示

按照上述规则我们来体验一次简单的A*算法

A添加到open表中,更新A的f(n)为10 open 表 :A(10) close表 :null将B,C,D按照规则一添加到open表中,更新好B,C,D的f(n)后,将A移到close表中 open 表 :B(13) C(18) D(20) close表 :A(10)依据规则三,选取节点B作为下一个节点,同理将E,F移到open表,B移到close表 open 表 :C(18) D(20) E(12) F(14) close表 :A(10) B(13)依据规则三,选取E作为下一个节点,同理将G移到open表,E移到close表 open 表 :C(18) D(20) F(14) G(15) close表 :A(10) B(13) E(12)依据规则三,选取F作为下一个节点,按照规则二G(13) < G(15) 更新open表中的G。F移到close表 open 表 :C(18) D(20) G(13) close表 :A(10) B(13) E(12) F(14)继续搜索直至发现目标状态f(n)为open表中最小值 3 八数码问题

这里需要说明的A能找到的解是局部最优解,但是独特的启发式函数可以使得解为全局最优解,八数码问题就是一个能通过A求得最优解的问题。 像下图所示,通过将数字位向空格位移动直至将棋盘从初始状态变化到目标状态。

4 问题分析 启发式函数的确定 h(n):已经移动的步数 g(n):此状态与目标状态九宫格中相异数字的个数状态保存 \qquad A*算法有个很大的问题就是消耗内存资源,我们可以用char型数据保存,这里我另一种保存策略:用一个long int数值表示,方法如下 0-8九个状态可以四位二进制数来表示0000B-1000B,所以九个状态就可以用36个二进制位来表示,然后这36位二进制数就可以用一个long int型数据来表示,这样增加编码和解码工作,不过操作很风骚,位运算很好实现,只是这是后来想到的,没有实现算法优化 \qquad 在找最小值的时候,我们可以用二分查找,o(n)优化到o(logn),这就要求我们再插入时顺序插入,因为查询次数是要大于添加open\close表项的,所以这个方法是可以优化执行效率的无解情况 \qquad 将九宫格变成线性后,计算初始状态和目标状态的奇偶性是否一致,一致有解,否则无解。 5 代码实现 #include #include #include #include #define maxState 10000 #define N 3 using namespace std; bool isEqual(int a[N][N][maxState],int b[N][N],int n) { for(int i = 0;i if(a[i][j][n] != b[i][j]) return false; } } return true; } bool isEqual(int a[N][N],int b[N][N]) { for(int i = 0;i if(a[i][j] != b[i][j]) return false; } } return true; } int evalute(int state[N][N],int target[N][N]) { int num = 0; for(int i = 0;i for(int i = 0;i if(a[i][j] == 0) { x = i;y = j;return; } } } } bool move(int a[N][N],int b[N][N],int dir) { //1 up 2 down 3 left 4 right int x = 0,y = 0; for(int i = 0;i b[i][j] = a[i][j]; if(a[i][j] == 0) { x = i;y = j; } } } if(x == 0 && dir == 1) return false; if(x == N-1 && dir == 2) return false; if(y == 0 && dir == 3) return false; if(y == N-1 && dir == 4) return false; if(dir == 1){b[x-1][y] = 0;b[x][y] = a[x-1][y];} else if(dir == 2){b[x+1][y] = 0;b[x][y] = a[x+1][y];} else if(dir == 3){b[x][y-1] = 0;b[x][y] = a[x][y-1];} else if(dir == 4){b[x][y+1] = 0;b[x][y] = a[x][y+1];} else return false; return true; } void statecpy(int a[N][N][maxState],int b[N][N],int n) { for(int i = 0;i a[i][j][n] = b[i][j]; } } } void getState(int a[N][N][maxState],int b[N][N],int n) { for(int i = 0;i b[i][j] = a[i][j][n]; } } } void statecpy(int a[N][N],int b[N][N]) { for(int i = 0;i for(int i = 0;i bool visited[maxState] = {false}; int fitness[maxState] = {0}; int passLen[maxState] = {0}; int curpos[N][N]; statecpy(curpos,start); int id = 0,Curid = 0; fitness[id] = evalute(curpos,target); statecpy(a,start,id++); while(!isEqual(curpos,target)){ for(int i = 1;i 0}; if(move(curpos,tmp,i)){ int state = checkAdd(a,tmp,id); if(state == -1){//not add path[id] = Curid; passLen[id] = passLen[Curid] + 1; fitness[id] = evalute(tmp,target) + passLen[id]; statecpy(a,tmp,id++); }else{//add int len = passLen[Curid] + 1,fit = evalute(tmp,target) + len; if(fit cout cout for(int j = i+1;j int maxMove = 50; srand((unsigned)time(NULL)); int tmp[N][N]; while(maxMove --){ int dir = rand()%4 + 1; if(move(a,tmp,dir)) statecpy(a,tmp); } } int main() { int a[N][N][maxState] = {0}; int start[N][N] = {1,2,3,4,5,6,7,8,0}; autoGenerate(start); cout cout cout shortest[j++] = res; res = path[res]; } cout


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